các phương pháp sản xuất enzyme hiện nay từ vi sinh vật lấy ví dụ minh hoạ và enzyme cố định có những đặc tính gì

Nhược điểm: Khó giữ được độ vô trùng do bề mặt thoáng của nó rất rộng, cấp khítrong quá trình nuôi cấy nên rất khó để kiểm soát. Khó cơ giới hóa và tự đồng hóa. Tốn diện tích do lên m

1 dada

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-Giảng viên hướng dẫn: Vũ Thị Cương

Mã lớp học phần: 20231CT6023003 Sinh viên: Hoàng Hương Giang 2021607384

Trần Trí Dũng 2021605383 Mai Đắc Duy 2021607737 Nguyễn Thị Minh Duyên 2021607489 Nguyễn Trung Dương 2021605212 Phạm Quý Dương 2021606428

Hà Nội, 2023

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ ENZYME

Đề tài

CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT ENZYME HIỆN NAY TỪ VI SINH VẬT , LẤY VÍ DỤ MINH HOẠ VÀ ENZYME CỐ ĐỊNH CÓ NHỮNG ĐẶC TÍNH GÌ? KỂ TÊN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

ENZYME CỐ ĐỊNH

MỤC LỤC

1 dada 1

I Các phương pháp sản xuất enzyme hiện nay từ vi sinh vật, lấy ví dụ minh hoạ? 3

1 Phương pháp lên men 3

1.1.1 Phương pháp lên men bề mặt: 3

1.1.2 Phương pháp lên men chìm: 4

2 Phương pháp cấy ghép gen: 6

3 Sử dụng vi sinh tổ hợp: 8

4 Sử dụng enzyme tái tổ hợp: 10

5 Sử dụng vi khuẩn E coli: 12

II Enzyme cố định có những đặc tính gì? Phương pháp điều chế enzyme cố định? 1 Một số đặc tính của enzym cố định 14

1.1 Enzym cố định có hoạt độ riêng thấp hơn hoạt độ riêng của enzym tự do boi 15

1.2 Enzym cố định thường có tính bền nhiệt cao hơn so với enzym tự do 16 1.3 pH tối ưu của enzym cố định thường bị chuyển sang miền kiềm hoặc axit so với pH tối ưu của enzym tự do 16

1.4 Enym cố định có thời gian bảo quản lâu hơn và bền với các chất kìm hãm cũng như các tác nhân gây biến tính hơn 16

2 Các phương pháp điều chế enzyme cố định 16

2.1 Phương pháp cố định enzyme bằng hấp phụ vật lý: 17

2.2 Phương pháp cố định enzyme bằng liên kết đồng hóa trị: 17

2.3 Phương pháp cố định enzyme bằng gói trong khuôn gel: 18

2.4 Phương pháp cố định enzyme bằng gói trong bao vi thể: 18

I Các phương pháp sản xuất enzyme hiện nay từ vi sinh vật, lấy ví

dụ minh hoạ?

1 Phương pháp lên men

Phương pháp lên men: Đây là phương pháp truyền thống để sản xuất enzyme

từ vi sinh vật Vi sinh vật được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng và điều kiện sinh trưởng tối ưu hóa để khuyến khích sự sản xuất enzyme Sau khi quá trình lên men hoàn tất, enzyme được thu thập từ môi trường nuôi cấy

1.1.1 Phương pháp lên men bề mặt:

Áp dụng cho nuôi cấy các vi sinh vật hiếu khí, thực hiện ở môi trường lỏng, hoặc bán rắn, bề mặt tiếp xúc với không khí rộng Trong quá trình nuôi cấy cần cấp khí vô trùng và làm mát

Môi trường nuôi cấy thường bao gồm cám gạo, cám mì, bột đậu và bột ngô để cung cấp hydrocarbon và N2 Ngoài ra để tăng độ xốp, cần phải bổ sung thêm trấu và mùn cưa Tuy nhiên nồng độ sử dụng dưới 25 % Độ dày từ

2 đến 5 cm với độ ẩm duy trì từ 55 đến 65%, nhiệt độ từ 28 đến 30 độ C Trước quá trình nuôi cấy cần hấp chín và làm ẩm môi trường để tiệt trùng Thời gian nuôi cấy từ 1.5 đến 2 ngày Chế phẩm chứa enzyme thu được sẽ ở dang khô (rắn)

Ưu điểm:

(do chìm sử dụng môi trường lỏng)

 Dế sấy khô và ít làm biến đổi hoạt tính của enzyme

 Thiết bị sử dụng đơn giản, dễ vận hành và ít tốn năng lượng

 Dễ tiến hành sử lý cục bộ: trong cùng bình nuôi cấy hoặc giữa các bình

Do bề mặt rắn lên dễ dàng khu trú những vùng bị hỏng và loại đi không

để chúng lan ra toàn bộ thiết bị

Nhược điểm:

 Khó giữ được độ vô trùng do bề mặt thoáng của nó rất rộng, cấp khí trong quá trình nuôi cấy nên rất khó để kiểm soát

 Khó cơ giới hóa và tự đồng hóa

 Tốn diện tích do lên men bề mặt có bề mặt thoáng lớn và có bề dày môi trường nhỏ, nên cần không gian rộng để xếp các dụng cụ nuôi cấy này

 Tốn nhân công do cơ giới hóa kém, nhiều bình nuôi cấy khác nhau nên cần nhiều nhân lực để kiểm soát và vận hành

 Sản phẩm thu được không đồng nhất, do được nuôi cấy trên nhiều thiết

bị khác nhau, khó kiểm soát được độ đồng đều về hàm lượng vi sinh vật, dinh dưỡng, không khí và sản phẩm tạo thành giữa các thiết bị

Ví dụ: phương pháp lên men bề mặt trong sản xuất enzyme ở vi sinh vật được thực hiện bằng phương pháp đóng băng lên men (ice nucleation) và phân tách lớp cô lập (partitioned layer separation)

Trong sản xuất enzyme lactase từ vi khuẩn E coli, các nhà khoa học

sử dụng phương pháp lên men bề mặt để tăng hiệu suất sản xuất enzyme và giảm chi phí sản xuất

Trước khi bắt đầu quá trình lên men bề mặt, các vi khuẩn được phân tách và tách lớp cô lập để tăng hiệu suất lên men Sau đó, các vi khuẩn được đóng băng bằng cách đặt trên một tấm băng đá, sau đó đem cho vào phòng đông để đông lạnh Khi phá vỡ tấm băng đá, các vi khuẩn sẽ bị tổn thương

và các enzym bên trong sẽ bị giải phóng ra

Quá trình này giúp tăng hiệu suất lên men bề mặt và giảm thời gian sản xuất enzyme Sau khi tổng hợp enzyme, quá trình lên men bề mặt được kết thúc bằng cách phân tách enzyme khỏi vi khuẩn bằng phương pháp lọc và tách bằng cột cromatography Quá trình này giúp loại bỏ tạp chất và tăng độ tinh khiết của enzyme

1.1.2 Phương pháp lên men chìm:

Chế phẩm thu được ở dạng thô và lỏng thực hiện nuôi cấy vi sinh vật trong môi trường lỏng, môi trường nuôi cấy dày Chúng có thể áp dụng cho cả lên

men vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí Sử dụng môi trường nuôi cấy từ tinh bột, các nguồn nitơ hữu cơ và các chất khoáng Cần tiến hành hấp để hồ hóa và tiệt trùng môi trường Nuôi cấy ở nhiệt độ mát từ 28 đến 30 độ C; duy trì pH ổn định với từng loại vi sinh vật thông thường gần 7; trong quá trình nuôi cấy cần

có chế độ cấp khí, khuấy trộn và làm mát thích hợp để vi sinh vật sinh trưởng tốt nhất Thời gian nuôi cấy lâu hơn bề mặt với thời gian từ 48 đến 96 giờ

Ưu điểm: Dễ dàng sản xuất theo quy trình tự động hoá

hiếu khí tiến hành cấp khí vào môi trường lỏng (nhưng là từ dưới lên chứ không phải từ bề mặt như 2 phương pháp trên) còn vi sinh vật kỵ khí thì không cần

với thể tích lớn, diện tích mặt thoáng nhỏ Do chỉ cần một thiết bị, mặt thoáng nhỏ nên việc kiểm soát độ vô trùng tốt hơn, dễ dàng kiểm soát được toàn bộ quy trình

sử dụng nhân lực hơn

thu từ một thiết bị)

Nhược điểm:

 thiết bị đắt tiền, phức tạp,

 cần có cán bộ chuyên môn vận hành

 Do là môi trường lỏng và chỉ có một thiết bị, nên nếu xảy ra

sự cố như nhiễm khuẩn, vi sinh vật bị chết có thể sẽ làm hỏng cả lô sản phẩm

quá trình lên men bề mặt chìm trong nước của vi khuẩn Bacillus subtilis để sản xuất enzyme protease

Trong quá trình này, vi khuẩn Bacillus subtilis được nuôi cấy trong môi trường chứa các chất dinh dưỡng và các yếu tố khác nhau nhằm kích thích sự tăng trưởng và sản xuất enzyme Khi đạt được mật độ tế bào đủ cao,

vi khuẩn được chuyển đổi sang môi trường lên men chìm Môi trường lên men chìm chứa các chất carbon và nitơ cần thiết cho sự phát triển và sản xuất enzyme của vi khuẩn

Khi vi khuẩn được chìm vào môi trường này, chúng sẽ tiếp tục phát triển và sản xuất enzyme trong thời gian lâu hơn so với quá trình lên men bề mặt trên nền dung dịch Quá trình lên men chìm cho phép vi khuẩn tiếp xúc tụt vào trong môi trường, giúp cung cấp chất dinh dưỡng và oxy cho vi khuẩn hiệu quả hơn

Ngoài ra, việc lên men chìm cũng giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa vi khuẩn và môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất enzyme Khi quá trình lên men đã hoàn thành, enzyme được tách riêng từ vi khuẩn thông qua các bước chiết tách và làm sạch, đảm bảo enzyme có độ tinh khiết cao và đáp ứng tiêu chuẩn sản phẩm cuối cùng

2 Phương pháp cấy ghép gen:

Cấy ghép gen là phương pháp sử dụng để chuyển các gen có chứa thông tin mã hóa enzyme từ một chủng vi sinh vật sang một chủng vi sinh vật khác

có khả năng lên men tốt hơn hoặc có khả năng sản xuất enzyme mục tiêu cao hơn Phương pháp này giúp tăng cường khả năng sản xuất enzyme và tạo ra các biến thể mới có khả năng tăng cường hoặc thay đổi chức năng enzyme

Ưu điểm:

chức năng

từ một sinh vật sang sinh vật khác, tạo ra các đặc tính mới hoặc cải thiện đặc tính hiện có Điều này có thể được sử dụng để nâng cao năng suất cây trồng, tạo ra thuốc chữa bệnh mới, hoặc cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng đối với điều kiện môi trường khắc nghiệt

 Tăng khả năng chống sâu bệnh: Bằng cách cấy ghép gen, có thể chuyển gen có khả năng chống lại sâu bệnh từ một loài cây trồng sang một loài khác Điều này giúp tăng khả năng chống sâu bệnh của cây trồng mà không cần sử dụng thuốc trừ sâu, giảm sự phụ thuộc vào hóa chất và bảo vệ môi trường

suất cây trồng và cải thiện chất lượng sản phẩm Chẳng hạn, có thể chuyển gen liên quan đến sự phân bố năng lượng hoặc hấp thụ dinh dưỡng để tăng cường khả năng sinh trưởng và phát triển của cây trồng

 Tiết kiệm thời gian: Cấy ghép gen cho phép truyền gen nhanh chóng

và chính xác từ một sinh vật sang sinh vật khác, giúp tiết kiệm thời gian

so với việc lai tạo truyền thống Điều này đặc biệt hữu ích trong việc phát triển các loại cây trồng mới với đặc tính cần thiết trong thời gian ngắn

Hạn chế:

đạo đức và đối tượng Một số người lo ngại rằng việc thay đổi gen trong sinh vật có thể có tác động không mong muốn và có thể gây hại cho môi trường hoặc sức khỏe con người

gen, có thể xảy ra khả năng truyền gen không chính xác hoặc khả năng truyền gen không mong muốn Điều này có thể dẫn đến hiện tượng như tạo ra loài cây trồng kháng chất diệt cỏ hoặc loài cây trồng không mong muốn trong môi trường tự nhiên

chống lại việc cấy ghép gen và tạo ra sự kháng cự Điều này có thể làm giảm hiệu quả của phương pháp cấy ghép gen và đòi hỏi nghiên cứu và phát triển thêm để vượt qua sự kháng cự tự nhiên

phức tạp và đòi hỏi công nghệ cao Nghiên cứu, phát triển và thực hiện cấy ghép gen đòi hỏi nguồn lực và kinh phí đáng kể Điều này có thể

làm tăng chi phí sản xuất và hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp

VD: Phương pháp cấy ghép gen trong sản xuất enzyme ở vi sinh vật là việc sử dụng vi khuẩn E coli để sản xuất enzyme amylase thông qua cấy ghép gene amylase từ một nguồn khác

Trong quá trình này, gene amylase từ một vi sinh vật khác, ví dụ như nấm mốc Aspergillus niger, được cắt chỉnh sửa và chèn vào vectơ plasmid của

vi khuẩn E coli Vectơ plasmid là một phân tử DNA tự trùng, có khả năng tự sao chép và chuyển giao gen

Sau khi gene amylase đã được chèn vào vectơ plasmid, vectơ này được chuyển giao và cấy ghép vào vi khuẩn E coli thông qua quá trình biến đổi gen Quá trình này thường được thực hiện bằng cách truyền vectơ plasmid qua tác nhân như điện xuyên tế bào hoặc cấy ghép qua vectơ tiếp xúc Vi khuẩn E coli đã được cấy ghép gene amylase sẽ bắt đầu sản xuất enzyme amylase khi được nuôi cấy trong môi trường chứa các chất dinh dưỡng và các yếu tố khác nhau

Quá trình này có thể được theo dõi bằng cách phân tích hoạt độ của enzyme amylase trong môi trường nuôi cấy Sau khi quá trình lên men đã hoàn thành, enzyme amylase được tách riêng từ vi khuẩn E coli thông qua các bước chiết tách và làm sạch, đảm bảo enzyme có độ tinh khiết cao và đáp ứng tiêu chuẩn sản phẩm cuối cùng

Phương pháp cấy ghép gen cho phép vi khuẩn E coli sản xuất một lượng lớn enzyme amylase trong thời gian ngắn, thay thế phương pháp truyền thống sử dụng sản xuất enzyme từ nguồn tự nhiên

3 Sử dụng vi sinh tổ hợp:

Sử dụng vi sinh tổ hợp là một phương pháp mới để sản xuất enzyme từ vi sinh vật Phương pháp này kết hợp các gen từ nhiều vi sinh vật khác nhau để tạo ra một hệ vi sinh vật mới có khả năng tổng hợp enzyme mục tiêu hiệu quả hơn Vi sinhtổ hợp mang lại lợi ích của sự đa dạng gen và khả năng tổng hợp enzyme tốt nhất từ các vi sinh vật khác nhau.:

Ưu điểm:

 Tăng cường hiệu suất sản xuất: Vi sinh tổ hợp có thể tạo ra một môi trường thuận lợi cho vi sinh vật chính sản xuất enzyme với hiệu suất cao

hơn Sự tương tác và cộng sinh giữa các loại vi sinh vật khác nhau có thể cung cấp các yếu tố môi trường cần thiết hoặc tăng cường tổng hợp enzyme, giúp tăng sản lượng và hiệu suất sản xuất

 Tính đa dạng và linh hoạt: Phương pháp vi sinh tổ hợp có thể sử dụng nhiều loại vi sinh vật khác nhau để tạo ra một hệ thống phức tạp và linh hoạt Điều này cho phép tùy chỉnh và tối ưu hóa quá trình sản xuất enzyme theo nhu cầu cụ thể, bao gồm việc cung cấp các yếu tố dinh dưỡng, điều chỉnh môi trường và tăng cường hoạt động enzym

 Độ ổn định và đồng nhất của sản phẩm: Sử dụng vi sinh tổ hợp có thể cải thiện độ ổn định và đồng nhất của sản phẩm enzyme Vi sinh tổ hợp cho phép quản lý và kiểm soát quá trình tổng hợp enzyme một cách chính xác hơn, đảm bảo chất lượng và tính nhất quán của sản phẩm Hạn chế:

 Phức tạp và tốn kém: Sử dụng vi sinh tổ hợp đòi hỏi kiến thức chuyên môn và kỹ thuật cao Quá trình thiết lập và vận hành hệ thống vi sinh tổ hợp có thể phức tạp và đòi hỏi sự đầu tư về thiết bị, nguồn lực và công nghệ Điều này có thể làm tăng chi phí sản xuất và khó khăn trong việc áp dụng phương pháp này trong quy mô lớn

 Khả năng tương tác không đồng nhất: Sự tương tác giữa các loại vi sinh vật trong vi sinh tổ hợp có thể không đồng nhất và khó kiểm soát Các yếu tố môi trường, sự cạnh tranh và tương tác không mong muốn

có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của quá trình sản xuất enzyme

 Rủi ro ô nhiễm và ôxy hóa: Trong quá trình vi sinh tổ hợp, có nguy

cơ ô nhiễm và ôxy hóa, đặc biệt khi sử dụng các loại vi sinh vật khác nhau Điều này có thể ảnh hưởng đến sự ổn định và chất lượng của sản phẩm enzyme

 Hiệu suất và thành công của quá trình vi sinh tổ hợp phụ thuộc vào sự tương tác và cộng sinh hợp lý giữa các loại vi sinh vật và khả năng kiểm soát quá trình sản xuất

VD: Phương pháp vi sinh tổ hợp trong sản xuất enzyme ở vi sinh vật là

sử dụng vi khuẩn Escherichia coli để sản xuất enzyme lysozyme và thioredoxin, các enzyme có ứng dụng rộng trong nghiên cứu sinh học và công nghiệp

Trong quá trình này, gene lysozyme và gene thioredoxin được chèn vào plasmid của vi khuẩn Escherichia coli Plasmid là một vùng DNA tự trùng trong vi khuẩn có khả năng tự sao chép và chuyền gen

Vi khuẩn Escherichia coli mà đã được cấy ghép các gene lysozyme và thioredoxin sẽ bắt đầu tổ hợp và sản xuất cả hai enzyme này khi được nuôi cấy trong môi trường chứa các chất dinh dưỡng phù hợp

Quá trình tổ hợp của enzyme lysozyme và thioredoxin trong vi khuẩn Escherichia coli có thể được theo dõi bằng cách phân tích hoạt độ của các enzyme này trong môi trường nuôi cấy

Sau khi quá trình sản xuất enzyme đã hoàn thành, enzyme lysozyme và thioredoxin được tách riêng từ vi khuẩn Escherichia coli thông qua các bước chiết tách và làm sạch, để đảm bảo enzyme có độ tinh khiết cao và đáp ứng tiêu chuẩn sản phẩm cuối cùng

Phương pháp vi sinh tổ hợp cho phép vi khuẩn Escherichia coli sản xuất một lượng lớn enzyme lysozyme và thioredoxin trong thời gian ngắn và chất lượng cao, thay thế phương pháp truyền thống sử dụng sản xuất enzyme từ nguồn tự nhiên

4 Sử dụng enzyme tái tổ hợp:

Phương pháp này sử dụng enzyme để gia tăng sự tổng hợp enzyme mục tiêu Enzyme tái tổ hợp có khả năng tái tổ hợp và sửa chữa DNA, từ đó giúp khắc phục các lỗi gen hoặc tăng cường hiệu quả sản xuất enzyme

Ưu điểm:

(restriction enzymes) và enzyme kết dính (ligases), cho phép cắt và nối các đoạn DNA một cách chính xác và hiệu quả Điều này giúp nghiên cứu và thay đổi các đoạn gen cụ thể trong DNA một cách chính xác

 Đa dạng và linh hoạt: Có nhiều loại enzyme tái tổ hợp khác nhau có khả năng cắt và nối DNA ở các vị trí và điều kiện khác nhau Điều này